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許世宜教授實驗室發現低耗能高產量的海水淡化奈米新材料
刊登於頂尖國際學術期刊《Small》
posted on 2023/02/15
目前地球人口已超過80億,飲用水與工業及農業用水的需求日增,然而氣候變遷加劇了淡水缺乏的危機。在國際水資源會議上,會議主席歐爾布赫指出:「二十世紀是石油的世紀,二十一世紀則會是水資源的世紀」,因為石化能源有許多替代品,水則無可取代。現有的海水淡化設施多無法擺脫「高耗能」、「用電換水」的困境,所以研發低耗能、高效率的海水淡化技術已成為全球共識。
本校生命科學系暨基科所許世宜教授實驗室研究發現奈米新材料,找到同時具備高產量、低耗能、低碳排特性的海水淡化(desalination)機制。從仿生材料中找到答案,他們發現類澱粉蛋白(amyloid beta, Aβ)形成的奈米微管(nanotube)可以自動傳輸水分子,而且阻絕鈉離子(Na+)與氯離子(Cl-)的傳送,達到脫鹽的效果,海水淡化效率達100%。這個奈米微管兼具分子馬達(molecular motor)的功能,不需外部提供任何能量,就能達成海水淡化處理(圖一)。
許世宜教授表示,逆滲透法是目前主流的海水淡化技術,需要透過外部加壓的方式驅使海水中的水分子通過逆滲透膜,與鹽離子分離,進而獲得淡水。但實驗設計原理讓科學界瞭解,分子馬達的自動傳輸機制,不需要額外加壓,就能主動傳輸水分子。類澱粉蛋白所形成的片狀結構中,親水性與疏水性胺基酸構成了兩個非對稱的棘狀位能(ratchet potential),此種棘狀位能能夠達到阻擋帶電離子(如氯離子和鈉離子)穿過,並推動水分子往單一方向移動(unidirectional motion)。由三片類澱粉蛋白片狀結構自發組成奈米微管(self-assembled amyloid beta nanotube),可以用來導引水分子的流動。
研究發現,野生種類澱粉蛋白所形成的奈米微管,無法有效的達到分離水分子與帶電離子的目的,利用結構中的一個胺基酸改成帶電胺基酸,設計兩親性的(amphiphilic)奈米微管來增加親水性位能,從而提高了水分子與帶電離子的分離效能。這個過程不須外加壓力、不耗能,由一片10公分 × 10公分面積大小的奈米微管組合的過濾膜,一天產率可達2.5公噸的淡水,是目前已知逆滲透法的200倍。研究結果提供的奈米材料引入新的觀念,將分子馬達作為海水淡化節能省電的新方向,產率大幅提升,顛覆了傳統的技術與思維。
◎期刊資訊: Yu-Cheng Liu, Dah-Yen Yang, Jin-Pei Deng, Sheh-Yi Sheu. Molecular Dynamics Simulations of High-Performance, Dissipationless Desalination across Self-Assembled Amyloid Beta Nanotubes.(生命科學系暨基因體科學研究所 / 指導老師:許世宜教授)
◎論文全文:https://doi.org/10.1002/smll.202205420
圖一:海水淡化示意圖。(A) 類澱粉蛋白纖維自組裝形成Aβ折疊片狀結構和Aβ奈米微管。(B) Aβ奈米微管具有分子馬達、水泵功能和嵌入膜中作為奈米通道。(C) 海水淡化的商業設計和應用。